專利名稱：基于雙模絲網(wǎng)多相流成像測(cè)量裝置及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多相流體的成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于絲網(wǎng)的雙模成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
多相流動(dòng)現(xiàn)象廣泛存在于石油、化工、能源動(dòng)力等現(xiàn)代工程領(lǐng)域。多相流流型的在線顯 示及辨識(shí)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控、故障診斷等均具有重要意義。同時(shí)，在一些流體計(jì)量領(lǐng)域，能 夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地對(duì)多相流體在流動(dòng)截面進(jìn)行成像，是工業(yè)界許多應(yīng)用所迫切需要的技術(shù)。
過(guò)程層析成像技術(shù)以多相流為主要研究對(duì)象，可以獲得多相流體的二維/三維的時(shí)空局 部微觀分布信息，這為流動(dòng)特性復(fù)雜多變、常規(guī)方法檢測(cè)參數(shù)難度較大的多相流領(lǐng)域提供了 一條有效的在線測(cè)量和觀測(cè)途徑。其中，X射線、'射線過(guò)程層析成像是最早發(fā)展起來(lái)的技 術(shù)，它是依據(jù)射線穿透被測(cè)介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的衰減作用來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。這類技術(shù)的圖像重建算法簡(jiǎn) 單，具備較高的成像精度，但由于其放射性特點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)使用防護(hù)成本較高，目前未能普及 到許多的應(yīng)用場(chǎng)合。
電學(xué)層析成像是一種通過(guò)在物體邊緣/表面進(jìn)行電/磁測(cè)量而得到物體內(nèi)部切面分布的層 析成像方法。它包含有三個(gè)主要的模態(tài)，即電阻(ElectricalResistance Tomography, ERT )、 電容(Electrical Capacitance Tomography, ECT)及電磁(Electromagnetic Tomography, EMT)層析成像。它們可用于多相流的成像與檢測(cè)，但是它們也有各自的局限 。例如，ECT無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量導(dǎo)電物質(zhì)，而ERT無(wú)法測(cè)量導(dǎo)磁和介電物質(zhì)。國(guó)內(nèi)外的研究人員 在單獨(dú)發(fā)展這兩項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，也嘗試將它們?nèi)诤蟻?lái)發(fā)展雙模態(tài)層析成像技術(shù)。如公開(kāi)號(hào) 為CN1793879的ERT/ECT雙模態(tài)成像系統(tǒng)復(fù)合陣列傳感器，但是其電阻模態(tài)和電容模態(tài)同步激 勵(lì)會(huì)產(chǎn)生耦合現(xiàn)象，增加硬件系統(tǒng)的復(fù)雜度；分時(shí)激勵(lì)又對(duì)應(yīng)分時(shí)測(cè)量，無(wú)法做到對(duì)同一流 型剖面的同步測(cè)量。并且它繼承了ECT和ERT共有的缺點(diǎn)，即成像技術(shù)具有極強(qiáng)的非線性、病 態(tài)性和軟場(chǎng)特性，這使圖像重建過(guò)程變得復(fù)雜。為了提高圖像的分辨率，必須采用復(fù)雜的迭 代算法，使得實(shí)時(shí)性很差；如果使用簡(jiǎn)單的反投影算法，提高實(shí)時(shí)性，那么圖像的空間分辨 率就非常低?？臻g分辨率和實(shí)時(shí)性成了一對(duì)無(wú)法調(diào)和的矛盾。這些特點(diǎn)限制了電學(xué)層析成像(包括雙模)技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用。
申請(qǐng)?zhí)枮?00610074260. 9的兩相流體網(wǎng)絲電容成像方法采用介入式方法對(duì)兩相流進(jìn)行 測(cè)量，具有較高的分辨率和實(shí)時(shí)性，但是它僅基于電容原理，無(wú)法對(duì)導(dǎo)電率有差異的流體進(jìn) 行測(cè)量。而在許多化工和多相流過(guò)程中，多相流體(比如，油田中的油/氣/水混合物)由導(dǎo) 電和介電物質(zhì)混合組成，申請(qǐng)?zhí)枮?00610074260. 9中所述的技術(shù)就會(huì)失效。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上提到現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本發(fā)明的目的是提供一種新型的雙模絲網(wǎng)成 像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電導(dǎo)率，或(和)介電系數(shù)有差異的多相流體進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速的成像方法。
由于多相流系統(tǒng)的多變性、快速性以及各相在空間分布的復(fù)雜性，成像的速度和精度一 直以來(lái)都制約著成像技術(shù)的發(fā)展。本發(fā)明所提供的雙模絲網(wǎng)成像方法就是上述問(wèn)題的一種技 術(shù)解決方案。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明的基于雙模絲網(wǎng)多相流成像測(cè)量裝置，采用如下的技術(shù)方案
一種基于雙模絲網(wǎng)多相流成像測(cè)量裝置，包括安裝在垂直于管道軸向上的至少一個(gè)絲網(wǎng)
電感成像傳感器、激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元、信號(hào)測(cè)量單元、模擬選通開(kāi)關(guān)、上位成像計(jì)算機(jī)；所 述的絲網(wǎng)傳感器由相互垂直、并在軸向方向靠近的兩組導(dǎo)線組成，每組導(dǎo)線的各條導(dǎo)線之間 相互平行，其中的一組導(dǎo)線，分別由外表皮絕緣和非絕緣的兩種導(dǎo)線相間排布而成，構(gòu)成另 一組的每個(gè)導(dǎo)線，由外表皮絕緣和非絕緣的小段導(dǎo)線相間串聯(lián)而成，兩組導(dǎo)線在空間形成的 交叉點(diǎn)分為兩種，第一種是由兩個(gè)導(dǎo)線外表皮非絕緣部分空間相交形成的交叉點(diǎn)，第二種是 由兩個(gè)導(dǎo)線外表皮絕緣部分空間相交形成的交叉點(diǎn)，兩種交叉點(diǎn)在整個(gè)絲網(wǎng)傳感器上呈相間 排布；對(duì)于其中一組導(dǎo)線，由上位成像計(jì)算機(jī)利用模擬選通開(kāi)關(guān)依次選通一個(gè)導(dǎo)線作為激勵(lì) 端，接到激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元的輸出端上；對(duì)于另一組導(dǎo)線，由上位成像計(jì)算機(jī)利用模擬選通 開(kāi)關(guān)依次選通一個(gè)導(dǎo)線作為接收端，接到信號(hào)測(cè)量單元的輸入端上；如果測(cè)量端和接收端形 成的是第一種交叉點(diǎn)，對(duì)測(cè)量得到的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行O度相敏解調(diào)，得到其電導(dǎo)值，如果測(cè)量 端和接收端形成的是第二種交叉點(diǎn)，對(duì)測(cè)量得到的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行90度相敏解調(diào)，得到其電容 值，從而得到流體的電導(dǎo)率和介電系數(shù)在同一切面的空間分布。
作為優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的基于雙模絲網(wǎng)多相流成像測(cè)量裝置，每組傳感器由2 -200 個(gè)導(dǎo)線組成；構(gòu)成傳感器的導(dǎo)線由絕緣導(dǎo)線和非絕緣導(dǎo)線構(gòu)成，導(dǎo)線的直徑為O. lmm-10mm。
本發(fā)明同時(shí)提供一種利用上述測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)的測(cè)量方法，包括下列步驟(1) 選通一組導(dǎo)線中的一條導(dǎo)線作為激勵(lì)端，以另一組導(dǎo)線中的各條導(dǎo)線分別作為 接收端，對(duì)激勵(lì)端施加激勵(lì)信號(hào)；
(2) 對(duì)各個(gè)接收端上的感應(yīng)電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到測(cè)量電壓數(shù)據(jù)；如果測(cè)量端和 接收端形成的是第一種交叉點(diǎn)，對(duì)測(cè)量得到的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行0度相敏解調(diào)，得到其電導(dǎo)值， 如果測(cè)量端和接收端形成的是第二種交叉點(diǎn)，對(duì)測(cè)量得到的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行90度相敏解調(diào)，得 到其電容值。
(3) 選通前一組導(dǎo)線的其它導(dǎo)線為激勵(lì)端，重復(fù)(2)中的操作，直至所有的通路組 合完成；
(4) 通過(guò)測(cè)量相互垂直導(dǎo)線交叉點(diǎn)之間的電導(dǎo)和電容，得到流體的電導(dǎo)率和介電系 數(shù)在同一切面的空間分布。
與現(xiàn)有的其它層析成像方法相比，本發(fā)明采用了介入式的絲網(wǎng)傳感器，將管道的橫截面 轉(zhuǎn)化為絲網(wǎng)中空間交叉點(diǎn)的集合，避開(kāi)了復(fù)雜的圖像重建算法，極大的提高了獲取實(shí)時(shí)圖像 的效率。與傳統(tǒng)電容絲網(wǎng)成像方法相比，本發(fā)明在測(cè)量原理和構(gòu)造上能同時(shí)對(duì)在同一截面上 的導(dǎo)電和介電物質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，在多相流測(cè)量上具備更好的通用性。另一方面，本發(fā)明原理是 以導(dǎo)線為感應(yīng)元素，具體形狀可以視實(shí)際情況改變，能夠適應(yīng)特殊流通截面的要求。并且而 且由于每個(gè)空間交叉點(diǎn)處的數(shù)據(jù)獨(dú)立采集，相互間的影響較小，采集時(shí)間短，所以成像精度 較高且速度更快。
本發(fā)明所得到的實(shí)時(shí)圖像包含管道橫截面上兩相組分的分布信息，能實(shí)現(xiàn)多相流的流型 識(shí)別，以及獲取各相成分在管道橫截面上的濃度分布，同一管道像素點(diǎn)的數(shù)目越多，實(shí)時(shí)圖 像所能提供的信息越詳細(xì)；還可以在管道內(nèi)布置兩個(gè)或兩個(gè)以上的絲網(wǎng)傳感器，通過(guò)上下游 的檢測(cè)，可以進(jìn)一步獲取兩相流體的各相流量、速度和運(yùn)動(dòng)軌跡的信息。


圖l是本發(fā)明的基于雙模絲網(wǎng)的成像系統(tǒng)裝置原理圖2是10根導(dǎo)線25像素的絲網(wǎng)電磁傳感器示意圖，a為三維示意圖，b為俯視圖; 圖3是激勵(lì)端選通和測(cè)量端數(shù)據(jù)采集示意圖。
具體實(shí)施方法圖l是按照本發(fā)明實(shí)施的雙模絲網(wǎng)成像系統(tǒng)裝置原理圖。它由雙模絲網(wǎng)式傳感器、數(shù)據(jù) 采集和上位成像計(jì)算機(jī)三個(gè)主要部分構(gòu)成，其中數(shù)據(jù)采集部分包括了激勵(lì)信號(hào)發(fā)生、模擬選 通開(kāi)關(guān)以及信號(hào)測(cè)量幾個(gè)單元。激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元可采用直接數(shù)字合成(DDS)芯片AD7008 ，該芯片可以產(chǎn)生不同幅度和相位的正弦激勵(lì)信號(hào)。激勵(lì)信號(hào)的幅度和相位可由計(jì)算機(jī)設(shè)置 ，通過(guò)功率放大器放大后加裝在由模擬開(kāi)關(guān)選通的激勵(lì)線圈上。
使用時(shí)，絲網(wǎng)傳感器垂直于管道軸線布置，模擬開(kāi)關(guān)依次選通激勵(lì)端導(dǎo)線施加激勵(lì)信號(hào) ，計(jì)算機(jī)控制測(cè)量單元對(duì)測(cè)量端導(dǎo)線上的感應(yīng)電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。對(duì)本發(fā)明的層析成像而言 ，若激勵(lì)端導(dǎo)線的個(gè)數(shù)為N，測(cè)量端導(dǎo)線的個(gè)數(shù)為M，那么成像的像素為M傘N。
模擬開(kāi)關(guān)將功率放大器輸出的信號(hào)分配到需要的激勵(lì)線圈上，模擬開(kāi)關(guān)的電流承受值應(yīng) 為10mA至1A之間。模擬開(kāi)關(guān)可以采用MAXIUM公司的大電流開(kāi)關(guān)芯片(如MAX4656)。
雙模絲網(wǎng)式傳感器由相互垂直、并在軸向方向靠近的兩組導(dǎo)線組成，每組導(dǎo)線的各條導(dǎo) 線之間相互平行，如圖2所示，以10導(dǎo)線為例。選通導(dǎo)線l作為激勵(lì)端，與它垂直的導(dǎo)線2、 3 、4、 5、 6作為測(cè)量端，可以同時(shí)對(duì)測(cè)量通路上的感應(yīng)電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到測(cè)量電壓數(shù) 據(jù)。其中，導(dǎo)線2、 4、 6是外表皮非絕緣的導(dǎo)線，與它們空間相交的也是外表皮非絕緣的激 勵(lì)端導(dǎo)線段，對(duì)電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行O度相敏解調(diào)，得到對(duì)應(yīng)的實(shí)部(電導(dǎo))值；導(dǎo)線3、 5則是外 表皮絕緣的導(dǎo)線，而相應(yīng)的，與它們空間相交的是外表皮絕緣的激勵(lì)端導(dǎo)線段，因此對(duì)電壓 數(shù)據(jù)進(jìn)行90度相敏解調(diào)，得到對(duì)應(yīng)的虛部(電容)值。
此處給出了一種雙模絲網(wǎng)式傳感器的實(shí)施例，實(shí)際使用時(shí)，還有其它的實(shí)施方式，例如 ，兩組導(dǎo)線，以任何一組的導(dǎo)線作為激勵(lì)端，另一組的導(dǎo)線作為測(cè)量端均可。
激勵(lì)端選通和測(cè)量端數(shù)據(jù)采集示意圖如圖3。在圖3中，激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元7通過(guò)模擬選 通開(kāi)關(guān)8依次選通一根導(dǎo)線作為激勵(lì)端。作為接收端的導(dǎo)線則與信號(hào)測(cè)量單元9直接相連，將 采集到的感應(yīng)電壓數(shù)據(jù)直接輸入到上位計(jì)算機(jī)做相敏解調(diào)處理。
通過(guò)圖2可以清楚看到，10根導(dǎo)線分成2組相互垂直分布，所形成的25個(gè)空間交叉點(diǎn)均勻 分布于管道的橫截面上。因此，通過(guò)測(cè)量這些空間交叉點(diǎn)處的電容或電導(dǎo)，可以不需通過(guò)復(fù) 雜的重建算法得到導(dǎo)電或?qū)Т帕黧w和粉體的空間分布，從而直接獲取兩相流體的實(shí)時(shí)圖像。 而這種雙模絲網(wǎng)的模式，突破了單模測(cè)量時(shí)對(duì)流體性質(zhì)的限制，檢測(cè)時(shí)獲取的多樣信息，具 備更好的通用性，也使成像質(zhì)量有顯著提高。在絲網(wǎng)導(dǎo)線數(shù)目足夠多的情況下，實(shí)時(shí)圖像可 以達(dá)到很高的分辨率。
本實(shí)施例中采用絕緣和非絕緣導(dǎo)線，導(dǎo)線的直徑為O. lmm-10mm。
權(quán)利要求
1.一種基于雙模絲網(wǎng)多相流成像測(cè)量裝置，包括安裝在垂直于管道軸向上的至少一個(gè)絲網(wǎng)電感成像傳感器、激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元、信號(hào)測(cè)量單元、模擬選通開(kāi)關(guān)、上位成像計(jì)算機(jī)；所述的絲網(wǎng)傳感器由相互垂直、并在軸向方向靠近的兩組導(dǎo)線組成，每組導(dǎo)線的各條導(dǎo)線之間相互平行，其中的一組導(dǎo)線，分別由外表皮絕緣和非絕緣的兩種導(dǎo)線相間排布而成，構(gòu)成另一組的每個(gè)導(dǎo)線，由外表皮絕緣和非絕緣的小段導(dǎo)線相間串聯(lián)而成，兩組導(dǎo)線在空間形成的交叉點(diǎn)分為兩種，第一種是由兩個(gè)導(dǎo)線外表皮非絕緣部分空間相交形成的交叉點(diǎn)，第二種是由兩個(gè)導(dǎo)線外表皮絕緣部分空間相交形成的交叉點(diǎn)，兩種交叉點(diǎn)在整個(gè)絲網(wǎng)傳感器上呈相間排布；對(duì)于其中一組導(dǎo)線，由上位成像計(jì)算機(jī)利用模擬選通開(kāi)關(guān)依次選通一個(gè)導(dǎo)線作為激勵(lì)端，接到激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元的輸出端上；對(duì)于另一組導(dǎo)線，由上位成像計(jì)算機(jī)利用模擬選通開(kāi)關(guān)依次選通一個(gè)導(dǎo)線作為接收端，接到信號(hào)測(cè)量單元的輸入端上；如果測(cè)量端和接收端形成的是第一種交叉點(diǎn)，對(duì)測(cè)量得到的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行0度相敏解調(diào)，得到其電導(dǎo)值，如果測(cè)量端和接收端形成的是第二種交叉點(diǎn)，對(duì)測(cè)量得到的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行90度相敏解調(diào)，得到其電容值，從而得到流體的電導(dǎo)率和介電系數(shù)在同一切面的空間分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于雙模絲網(wǎng)多相流成像測(cè)量裝置，其特征 在于，每組傳感器由2 -200個(gè)導(dǎo)線組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于雙模絲網(wǎng)多相流成像測(cè)量裝置，其特征 在于，構(gòu)成傳感器的導(dǎo)線由絕緣導(dǎo)線和非絕緣導(dǎo)線構(gòu)成，導(dǎo)線的直徑為O. lmm-10mm。
4. 一種采用權(quán)利要求l所述的基于雙模絲網(wǎng)多相流成像測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn) 的測(cè)量方法，其特征在于，包括下列步驟(1) 選通一組導(dǎo)線中的一條導(dǎo)線作為激勵(lì)端，以另一組導(dǎo)線中的各條導(dǎo)線分別作為接 收端，對(duì)激勵(lì)端施加激勵(lì)信號(hào)；(2) 對(duì)各個(gè)接收端上的感應(yīng)電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到測(cè)量電壓數(shù)據(jù)；如果測(cè)量端和接 收端形成的是第一種交叉點(diǎn)，對(duì)測(cè)量得到的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行O度相敏解調(diào)，得到其電導(dǎo)值，如果測(cè)量端和接收端形成的是第二種交叉點(diǎn)，對(duì)測(cè)量得到的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行90度相敏解調(diào)，得到 其電容值。(3) 選通前一組導(dǎo)線的其它導(dǎo)線為激勵(lì)端，重復(fù)(2)中的操作，直至所有的通路組 合完成；(4) 通過(guò)測(cè)量相互垂直導(dǎo)線交叉點(diǎn)之間的電導(dǎo)和電容，得到流體的電導(dǎo)率和介電系數(shù) 在同一切面的空間分布。
全文摘要
本發(fā)明屬于多相流體成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于絲網(wǎng)的雙模(電導(dǎo)、電容)傳感成像設(shè)備，傳感器在縱向由多條相互平行的外表皮絕緣的和非絕緣的導(dǎo)線組成，其中外表皮絕緣的和非絕緣的導(dǎo)線相間分布；傳感器在橫向由包括多條相互平行的導(dǎo)線組成，其中每一根導(dǎo)線由外表皮絕緣和非絕緣的小段相間串聯(lián)而成。橫向的導(dǎo)線接到激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器上，而縱向的導(dǎo)線接到測(cè)量電路上。本發(fā)明通過(guò)測(cè)量互相垂直的導(dǎo)線的電導(dǎo)和電容值，確定多相流體各相在整個(gè)管道橫截面上的分布信息，可以不需通過(guò)復(fù)雜的重建算法，而同時(shí)得到流體或粉體的電導(dǎo)率和介電系數(shù)在同一切面的空間分布。
文檔編號(hào)G01N27/04GK101650328SQ20091030697
公開(kāi)日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2009年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月14日
發(fā)明者劍 姜, 尹武良 申請(qǐng)人:天津大學(xué)